Хвостовое оперение , также известное как горизонтальный стабилизатор , представляет собой небольшую несущую поверхность, расположенную на хвосте ( опелении ) позади основных несущих поверхностей самолета с неподвижным крылом, а также других самолетов с нефиксированным крылом, таких как вертолеты и автожиры . Не все самолеты имеют хвостовое оперение. У самолетов «Канард» , «бесхвостых» самолетов и самолетов с летающим крылом нет отдельного хвостового оперения, тогда как в самолетах с V-образным хвостовым оперением вертикальный стабилизатор , руль направления , а также хвостовое оперение и руль высоты объединены, образуя две диагональные поверхности в V-образной компоновке.
Функция хвостового оперения — обеспечение устойчивости и контроля. В частности, хвостовое оперение помогает адаптироваться к изменениям положения центра давления или центра тяжести, вызванным изменениями скорости и положения, расходом топлива или падением груза или полезной нагрузки.
Хвостовое оперение состоит из установленного в хвостовом оперении неподвижного горизонтального стабилизатора и подвижного руля высоты . Помимо формы в плане , он характеризуется:
Некоторым локациям присвоены особые названия:
Крыло с обычным профилем аэродинамического профиля вносит отрицательный вклад в продольную устойчивость. Это означает, что любое возмущение (например, порыв ветра), которое поднимает нос, создает момент тангажа вверх, который имеет тенденцию поднимать нос дальше. При том же возмущении наличие хвостового оперения создает восстанавливающий момент кабрирования, который может противодействовать естественной неустойчивости крыла и сделать самолет продольно устойчивым (почти так же, как флюгер всегда направлен против ветра).
Продольная устойчивость самолета может измениться, когда он управляется «без участия рук»; т.е. когда на органы управления полетом действуют аэродинамические силы, а не силы воздействия пилота.
В дополнение к созданию восстанавливающей силы (которая сама по себе может вызвать колебательное движение) хвостовое оперение обеспечивает демпфирование. Это вызвано относительным ветром , видимым хвостом самолета, когда самолет вращается вокруг центра тяжести. Например, когда самолет колеблется, но на мгновение выравнивается с общим движением транспортного средства, хвостовое оперение по-прежнему воспринимает относительный ветер, противодействующий колебаниям.
В зависимости от конструкции самолета и режима полета его хвостовое оперение может создавать положительную или отрицательную подъемную силу (прижимную силу). Иногда предполагается, что на устойчивом самолете это всегда будет чистая прижимная сила, но это неверно. [2]
В некоторых новаторских конструкциях, таких как Bleriot XI , центр тяжести находился между нейтральной точкой и хвостовым оперением, что также обеспечивало положительную подъемную силу. Однако такое расположение может быть нестабильным, и с этими конструкциями часто возникали серьезные проблемы с обращением. Требования к стабильности не были понятны до тех пор, пока незадолго до Первой мировой войны - эпоха, в течение которой британский легкий биплан Bristol Scout был разработан для гражданского использования, с подъемным хвостовым оперением с аэродинамическим крылом на протяжении всего его производства, пришлась на первые годы Первой мировой войны и британской военной службы. с 1914 по 1916 год - когда стало понятно, что перемещение центра тяжести дальше вперед позволило использовать неподъемное хвостовое оперение, в котором подъемная сила номинально не положительная и не отрицательная, а равна нулю, что приводит к более стабильному поведению. [3] Более поздние примеры самолетов времен Первой мировой войны и в межвоенные годы , которые имели хвостовое оперение с положительной подъемной силой, включают, в хронологическом порядке, Sopwith Camel , Spirit of St. Louis Чарльза Линдберга , Gee Bee Model R Racer - все самолеты с репутация человека, на котором трудно летать, и более простой в управлении двухместный канадский учебно-тренировочный биплан Fleet Finch , который сам обладает плоскодонным хвостовым оперением с аэродинамическим профилем, мало чем отличающимся от более раннего Bristol Scout. Но при осторожном подходе подъемное хвостовое оперение можно сделать устойчивым. Примером может служить ракетный перехватчик вертикального взлета и посадки Bachem Ba 349 Natter , который имел подъемное хвостовое оперение и был одновременно устойчивым и управляемым в полете. [4]
Некоторые самолеты и режимы полета могут потребовать от хвостового оперения создания значительной прижимной силы. Это особенно актуально при медленном полете и под большим углом атаки (AoA). На некоторых типах нагрузка в этом режиме полета была настолько сильной, что приводила к остановке хвостового оперения. На Gloster Meteor T.7 сваливание могло произойти из-за турбулентности при срабатывании воздушных тормозов. На McDonnell Douglas F-4 Phantom II это первоначально происходило во время взлета и захода на посадку, и передние предкрылки были установлены на хвостовом оперении в перевернутом положении, чтобы поддерживать плавный поток воздуха и «подъемную силу» прижимной силы при высоком угле атаки. Учебно-тренировочному самолету Pilatus P-3 требовался подфюзеляжный киль, чтобы устранить аналогичный эффект при вращении , в то время как McDonnell Douglas T-45 Goshawk страдал от чрезмерного потока воздуха вниз от крыла при выпуске закрылков , что потребовало небольшой поверхности «SMURF», прикрепленной к фюзеляжу. так, чтобы он совпадал с передней кромкой стабилизатора под критическим углом. [5]
Использование компьютера для управления рулем высоты позволяет управлять аэродинамически нестабильными самолетами таким же образом.
Такие самолеты, как F-16, летают с искусственной устойчивостью. Преимуществом этого является значительное снижение сопротивления хвостового оперения и улучшение маневренности.
На околозвуковых скоростях самолет может испытывать смещение центра давления назад из-за нарастания и движения ударных волн. Это вызывает момент кабрирования вниз, называемый подтягиванием Маха . Для поддержания равновесия может потребоваться значительная триммирующая сила, и это чаще всего обеспечивается использованием всего хвостового оперения в виде цельноповоротного хвостового оперения или стабилизатора.
Хвостовое оперение обычно имеет средства, позволяющие пилоту контролировать величину подъемной силы, создаваемой хвостовым оперением. Это, в свою очередь, вызывает момент кабрирования самолета вверх или вниз, который используется для управления самолетом по тангажу.
Руль высоты : Обычное хвостовое оперение обычно имеет шарнирную заднюю поверхность, называемую рулем высоты .
Стабилизатор или цельноповоротное хвостовое оперение : в трансзвуковом полете ударные волны , создаваемые передней частью хвостового оперения, делают любой руль высоты непригодным для использования. Цельноповоротное хвостовое оперение было разработано британцами для Miles M.52 , но впервые реальный околозвуковой полет наблюдался на Bell X-1 ; Bell Aircraft Corporation включила в комплектацию триммер руля высоты, который мог изменять угол атаки всего хвостового оперения. Это избавило программу от дорогостоящего и трудоемкого ремонта самолета. [ нужна цитата ]
Трансзвуковые и сверхзвуковые самолеты теперь имеют цельноповоротное хвостовое оперение для противодействия подворачиванию Маха и сохранения маневренности при полете со скоростью, превышающей критическое число Маха . Эту конфигурацию, обычно называемую стабилизатором , часто называют «цельноподвижным» или «вселетающим» хвостовым оперением.
Это заблуждение, что хвостатые самолеты всегда несут загрузку хвостового оперения. Обычно они так и делают, когда закрылки опущены и находятся в переднем положении центра тяжести, но с поднятыми закрылками в положении центра тяжести назад нагрузка на хвост при высокой подъемной силе часто бывает положительной (вверх), хотя максимальная подъемная способность хвоста достигается редко..стр.19п.20стр.21